Kendinden emniyetli çevrim doğrulaması: Uo, Io, Po, Co, Lo ve entity kavramı

Kendinden emniyetli bir çevrim, parçalarının sertifikalı parametreleri karşılaştırılarak doğrulanır. Entity kavramına (entity concept) göre ilişkili cihaz, saha cihazının güvenle kabul edebileceğinden fazlasını veremez (Uo ≤ Ui, Io ≤ Ii, Po ≤ Pi); saha cihazında ve kabloda depolanan enerji de ilişkili cihazın izin verdiği sınırlar içinde kalmalıdır (Ci + Cc ≤ Co, Li + Lc ≤ Lo veya kablonun L/R oranı Lo/Ro içinde). Sonuç; koruma seviyesi, gaz grubu, sıcaklık sınıfı ve topraklama ile birlikte tanımlayıcı sistem dokümanına kaydedilir.

Bu yazı her parametreyi, karşılaştırma kurallarını, kablo kapasitansı ve endüktansının nasıl elde edilip kullanılacağını, kayda değer toplu L ve C içeren devreler için geçerli kuralı, çözümlü bir örneği ve fieldbus sistemlerinde FISCO'nun hesabın yerini nerede aldığını açıklar.

Temel noktalar

• Entity kavramı, kendinden emniyetli cihazı ve ilişkili cihazı sertifikalarındaki parametreler üzerinden birbirine göre kontrol eder; böylece sertifikalı herhangi iki parça, kombinasyon ayrıca test edilmeden birleştirilebilir.
• Gerilim, akım ve güç: Uo ≤ Ui, Io ≤ Ii ve Po ≤ Pi. Saha cihazının sertifikasında giriş değerlerinden biri verilmemişse, o parametre cihazın emniyeti açısından önemli değildir.
• Depolanan enerji: tüm Ci değerlerinin toplamı ile kablo kapasitansı Co'yu aşmamalıdır; tüm Li değerlerinin toplamı ile kablo endüktansı Lo'yu aşmamalı ya da Li ihmal edilebilir düzeydeyse kablonun L/R oranı Lo/Ro'yu aşmamalıdır.
• Kablo verileri bilinmiyorsa IEC 60079-25, sıradan iki veya üç damarlı kablo için 200 pF/m ve 1 µH/m değerlerinin kullanılmasına izin verir.
• Toplu Ci ve Li değerlerinin (kablo hariç) her ikisi de Co ve Lo'nun %1'i veya daha fazlası olduğunda Co ve Lo yarıya indirilir; yarıya indirilen Co, IIC için 600 nF, IIB, IIA ve Grup I için 1 µF ile sınırlanır.
• FISCO (fieldbus kendinden emniyetli kavramı), bus sistemlerinde entity hesabının yerine güç kaynağı, saha cihazları ve kablo için sabit sınırlar koyar.

Entity kavramı

IEC 60079-11'de tanımlandığı şekliyle entity kavramında, kendinden emniyetli bir cihazın veya ilişkili cihazın her bağlantı noktası bir dizi sertifikalı kendinden emniyet parametresi taşır ve bu parametreler uyumlu olduğunda kombinasyon kabul edilebilir. Her üretici ürününü belirli sınırlara göre sertifikalandırır; tesisatçının yalnızca bu sınırların birbirine uyduğunu göstermesi gerekir.

Parametreler

Çıkış parametreleri işletme değerleri değil, emniyet değerleridir. Uo = 28 V işaretli bir bariyer, normal çalışmada bir transmitere 28 V vermez; 28 V, zener diyotlarının toleransı da dahil olmak üzere arıza koşullarındaki en kötü durum gerilimidir.

Karşılaştırma kuralları

Tek güç kaynağı olan bir çevrimde kontroller şu sırayla yapılır:

1. Grup. İlişkili cihaz ve saha cihazının ikisi de gaz grubuna uygun olmalıdır (IIC parçalar IIB ve IIA'da kullanılabilir). Bulunulan yerin grubu için verilen Co ve Lo değerleri kullanılır.
2. Koruma seviyesi. Çevrim, parçalarının en düşük seviyesini alır. Bir [Ex ia] izolatör ile bir Ex ib transmiter, ib seviyesinde bir çevrim oluşturur.
3. Gerilim, akım, güç. Uo ≤ Ui, Io ≤ Ii, Po ≤ Pi. Ui, Ii ve Pi değerlerinden yalnızca bazıları verilmişse cihazın emniyeti tamamen bunlarla tanımlanmıştır; verilmeyenlerin karşılaştırılması gerekmez.
4. Kapasitans. Ci (tüm saha cihazları) + Cc (kablo) ≤ Co.
5. Endüktans. Li (tüm saha cihazları) + Lc (kablo) ≤ Lo. Alternatif olarak, saha cihazının endüktansı ihmal edilebilir düzeydeyse (Lo'nun %1'inden az), Lc/Rc oranı Lo/Ro'yu aşmayan kablo, uzunluğundan bağımsız olarak kabul edilebilir.
6. Sıcaklık sınıfı ve ortam. Sıcaklık sınıfı ilişkili cihazdan değil, saha cihazından (veya basit cihaz için yapılan değerlendirmeden) gelir. Her parçanın ortam sıcaklığı aralığı kontrol edilir.
7. Topraklama ve yalıtım. Devre yüzer olmalı veya yalnızca tek bir noktadan topraklanmalıdır; toprağa karşı 500 V yalıtım testini geçemeyen parçalar topraklanmış sayılır.
8. Um. IS olmayan tarafa bağlanan ekipman Um'den yüksek bir gerilim uygulayabilecek durumda olmamalıdır. Um 250 V'un altındaysa IEC 60079-14, beslemenin nasıl elde edilebileceğini kısıtlar (örneğin SELV veya PELV sistemlerinden ya da bir emniyet yalıtım transformatöründen).

Basit cihazın (anahtar, RTD, termokupl) sertifikalı parametreleri yoktur. Tanımına dayanarak kabul edilir, içerdiği kapasitans veya endüktans toplamlara eklenir ve kaynak 40 °C'ye kadar ortam sıcaklığında 1,3 W'tan fazla güç veremiyorsa normalde T4 olarak sınıflandırılır.

Kablo kapasitansı ve endüktansı

Çevrimdeki kapasitans ve endüktansa en büyük katkıyı genellikle kablo yapar ve IIC'de izin verilen uzunluğu çoğu zaman kablo sınırlar.

Değerler nereden gelir

IEC 60079-25, kablo parametrelerini üç kaynaktan birinden kabul eder:

1. Kablo üreticisinin verdiği en elverişsiz değerler (ekranlı bir çift için genellikle ekran bağlantısı dahil kapasitans esas alınır).
2. Bir numunenin standarttaki yönteme göre ölçülmesi.
3. Ekranlı veya ekransız, geleneksel yapıdaki kablonun iki veya üç damarı için: 200 pF/m ve ya 1 µH/m ya da 1 µH'nin metre başına çevrim direncine bölünmesiyle bulunan Lc/Rc oranı. 3 A'e kadar akımlar için bunun yerine 30 µH/Ω L/R oranı kullanılabilir.

L/R neden çoğu zaman endüktans sınırını ortadan kaldırır

Kablonun endüktansı uzunluğuyla birlikte artar, ancak direnci de artar. Direnç, uzak uçtaki bir arızaya akabilecek akımı ve dolayısıyla endüktansın depolayabileceği enerjiyi sınırlar. Saha cihazının endüktansı ihmal edilebilir düzeydeyse, kablonun L/R oranını kaynağın Lo/Ro oranıyla karşılaştırmak her iki etkiyi de hesaba katar. Tipik enstrüman kablolarının L/R oranı yaygın kaynakların Lo/Ro değerinin oldukça altındadır; bu durumda uzunluğu yalnızca kapasitans sınırlar.

Toplu L ve C için %1 kuralı

Tutuşma eğrileri, devrede ya endüktans ya da kapasitans bulunduğunu varsayar. Bir devre her ikisini de toplu değerler olarak (kabloda dağılmış halde değil, saha cihazlarında) içerdiğinde, kondansatör endüktansı besleyen kaynağı güçlendirebilir. IEC 60079-11 ve IEC 60079-25 bu durumu şöyle ele alır:

• Saha cihazlarının (kablo hariç) toplam Li veya toplam Ci değerinden biri sırasıyla Lo'nun veya Co'nun %1'inden azsa, Co ve Lo'nun tamamı kullanılabilir.
• Her ikisi de %1 veya daha fazlaysa Co ve Lo yarıya indirilir. Yarıya indirilen kapasitans IIC için 600 nF, IIB, IIA ve Grup I için 1 µF ile sınırlanır.

Uygulamada bu kural nadiren devreye girer, çünkü transmiterlerin çoğunun Li değeri küçüktür. Bazı sertifikalarda birlikte kullanılabilecek Co ve Lo çiftleri de verilir; bunlar basit kurala göre önceliklidir.

Çok damarlı kablolar

Kablo, IEC 60079-25'in yapı ve dielektrik test gerekliliklerini (ekranlama ve korumaya bağlı olarak A, B ve C tipleri) karşılıyorsa birden fazla IS devre tek bir çok damarlı kabloyu paylaşabilir. Bu durumda arıza analizi aynı kablodaki devreler arasındaki bağlantıları da dikkate almalıdır; IS olmayan devreler ise bu kabloyu asla paylaşmamalıdır.

Çözümlü örnek: bir IIC transmiter çevrimi

IIC grubundaki bir proseste Bölge 0'da bulunan bir basınç transmiteri, kontrol odasındaki galvanik izolasyonlu bir arayüze 350 m ekranlı iki damarlı kabloyla bağlanmıştır. Aşağıdaki değerler açıklama amaçlıdır; gerçek değerler sertifikalardan ve kablo veri sayfasından alınır.

Sonuçlar:

• Çevrim ia, IIC, T4 seviyesindedir ve her iki cihazın aralığı içindeki ortam sıcaklıklarında Bölge 0 için uygundur.
• Kapasitans payı 18,5 nF'tır; dolayısıyla Co'ya ulaşılmadan kablo yaklaşık 473 m'ye kadar uzatılabilir. Endüktans sınırlayıcı değildir.
• Kablo verileri yerine 200 pF/m ve 1 µH/m varsayılan değerleri kullanılsaydı aynı çevrim 83 nF'ın 82 nF'ını kullanır ve yaklaşık 355 m'de sınıra ulaşırdı. Gerçek kablo verilerine sahip olmak değerlidir.

Şimdi transmiterin daha sonra Ui = 24 V olan farklı bir modelle değiştirildiğini varsayalım. Çevrim elektriksel olarak çalışacak olsa da karşılaştırma ilk satırda başarısız olur (28 V > 24 V). Bu yedek, bu arayüzde kabul edilemez; saha cihazında veya ilişkili cihazda yapılan her değişiklikte çevrim değerlendirmesinin tekrarlanması bu yüzden gereklidir.

Örnek değerlerle ilgili notlar:

• Io = 93 mA ve Po = 0,65 W, 300 Ω akım sınırlama dirençli 28 V'luk bir kaynağın verdiği değerlerdir; 28/300 = 0,093 A ve 28 × 0,093 / 4 = 0,65 W.
• Co = 83 nF, IEC 60079-11'de 28 V için 1,5 emniyet faktörüyle tablolaştırılmış IIC değeridir; 54 µH/Ω ise standarttaki formülün IIC'de 28 V ve 300 Ω için verdiği Lo/Ro değeridir.

Birden fazla kaynak ve ic çevrimleri

Yukarıdaki entity kuralları tek bir güç kaynağı varsayar. Aynı devreyi iki veya daha fazla kaynak besleyebiliyorsa (bir çevrimde iki arayüz veya enerji de sağlayan aktif bir saha cihazı), dikkate alınan arızalara bağlı olarak gerilimler ve akımlar seri ya da paralel şekilde toplanabilir. IEC 60079-14, doğrusal ve doğrusal olmayan karakteristikli birden fazla kaynağın birleştirilmesi için ekler içerir; birleşik değerler daha sonra yukarıdaki gibi karşılaştırılır.

ia veya ib olarak sertifikalandırılmış bir kaynak yalnızca ic seviyesi (Bölge 2) gerektiren bir çevrimde kullanıldığında, Co, Lo ve Lo/Ro değerleri ic'nin gerektirmediği 1,5 emniyet faktörüyle türetilmiştir. IEC 60079-25, izin verilen değerlerin 1,0 faktörüyle yeniden türetilebileceğini ve bunların iki ile çarpılmasının kabul edilebilir, ihtiyatlı bir kısayol olduğunu belirtir. Bu durumda çevrim ic seviyesindedir ve bu şekilde belgelenmeli ve etiketlenmelidir.

Fieldbus sistemleri için FISCO

Bir fieldbus segmenti tek kablo üzerinde 32 cihaza kadar taşıyabilir; bu da cihaz cihaz yapılan entity hesabını zahmetli ve her değişikliğe duyarlı hale getirir. Artık IEC 60079-11 (cihazlar) ve IEC 60079-25'in (sistemler) parçası olan fieldbus kendinden emniyetli kavramı (FISCO), hesabın yerine her bileşen için sabit sınırlar koyar. Aşağıdaki değerler IEC 60079-11:2011 ve IEC 60079-25:2010'a aittir; IEC 60079-11'in 2023 baskısı FISCO cihaz gerekliliklerini normatif bir ekte korumaktadır, bu nedenle olası değişiklikler için güncel baskılar kontrol edilmelidir:

Tüm bileşenler FISCO sertifikalıysa ve kablo bu sınırları karşılıyorsa sistem, kablo parametreleri hesaplanmadan emniyetli kabul edilir ve dokümantasyon ekipman listesine indirgenebilir. IIC için izin verilen besleme akımı 380 mA'in oldukça altındadır ve Uo'ya ve beslemenin çıkış karakteristiğine bağlıdır; bu nedenle IIC segmentleri IIB segmentlerinden daha az güç taşır.

Çevrimin belgelenmesi

IEC 60079-25, her kendinden emniyetli sistem için bir tanımlayıcı sistem dokümanı (descriptive system document) ister. Bir denetçinin talep edeceği belge de budur. Her çevrim veya çevrim tipi için pratik bir kayıt şunları içerir:

• ilişkili cihaz, saha cihazları ve basit cihazlar, sertifika numaraları ve işaretlemeleriyle;
• kablo tipi, uzunluğu ve parametreleri dahil olmak üzere yukarıdaki örnekteki gibi karşılaştırma tablosu;
• ortaya çıkan koruma seviyesi, grup ve sıcaklık sınıfı;
• topraklama düzeni ve varsa devrenin topraklandığı nokta;
• sertifikalardaki özel kullanım koşulları ("X" koşulları).

Sık yapılan hatalar

• Emniyet değerleri yerine işletme değerlerini karşılaştırmak. 24 V'luk bir besleme Uo'yu 24 V yapmaz; arayüzün sertifikalı Uo değeri kullanılmalıdır.
• Kabloyu unutmak. Ci + Cc ve Li + Lc, özellikle IIC'de ve uzun hatlarda mutlaka kontrol edilmelidir.
• IIC alanında IIB değerlerini kullanmak. Co ve Lo gaz grubuna bağlıdır; 28 V'ta Co'nun IIB değeri, IIC değerinin neredeyse sekiz katıdır.
• Toplamları yeniden hesaplamadan çevrime cihaz eklemek. Aynı çevrime eklenen ikinci bir gösterge veya bir solenoid kendi Ci ve Li değerlerini ekler ve ikinci bir kaynak oluşturabilir.
• Basit cihazı sıfır kabul etmek. Kapasitansı, endüktansı, sıcaklık sınıfı ve toprağa karşı yalıtımı yine de belirtilmelidir.
• Değerlendirmeyi kayda geçirmemek. Tanımlayıcı sistem dokümanı olmadan bir denetçi çevrimin kendinden emniyetli olduğunu teyit edemez.

Sık sorulan sorular

Kendinden emniyette entity kavramı nedir?

Entity kavramı, sertifikalı kendinden emniyetli cihazların ve ilişkili cihazların, sertifikalarındaki parametreler karşılaştırılarak güvenle birbirine bağlanabileceğini kontrol etme yöntemidir. Kaynağın Uo, Io ve Po değerleri saha cihazının Ui, Ii ve Pi değerlerini aşmamalı; saha cihazı ile kablo da kaynağın Co ve Lo değerleri içinde kalmalıdır.

Bir IS çevrimi için en büyük kablo uzunluğu nasıl hesaplanır?

Co'dan saha cihazının kapasitansı çıkarılır ve sonuç kablonun metre başına kapasitansına bölünür; aynı işlem endüktans için Lo, Li ve metre başına endüktansla yapılır. Kısa olan sonuç sınırdır. Saha cihazının endüktansı ihmal edilebilir düzeydeyse ve kablonun L/R oranı kaynağın Lo/Ro değerinin altındaysa yalnızca kapasitans sınırı geçerlidir.

Kablo kapasitansı bilinmiyorsa hangi değer kullanılmalı?

IEC 60079-25, ekranlı veya ekransız geleneksel kablonun iki veya üç damarı için 200 pF/m ve 1 µH/m değerlerine izin verir. Bu değerler ihtiyatlıdır; üretici verilerini veya ölçüm sonucunu kullanmak genellikle daha uzun hatlara imkan verir.

Po = Uo × Io / 4 her zaman doğru mudur?

Yalnızca dirençle akım sınırlaması yapılan doğrusal bir kaynak için doğrudur; bu kaynakta en yüksek güç, kaynak direncine eşit bir yüke aktarılır. Elektronik veya trapez akım sınırlamalı arayüzler daha fazla güç verebilir; bu nedenle her zaman sertifikada belirtilen Po kullanılmalıdır.

Entity kavramı ile FISCO arasındaki fark nedir?

Entity kavramı her bağlantıyı parametreleri karşılaştırarak ve kablo değerlerini ekleyerek kontrol eder. FISCO ise fieldbus segmentleri için önceden tanımlanmış bir sistemdir: besleme, cihazlar, sonlandırıcılar ve kablo FISCO sınırlarını karşılıyorsa sistem hesap yapılmadan emniyetlidir; bu da cihaz eklemeyi ve değiştirmeyi çok kolaylaştırır.

Bir transmiter değiştirildiğinde doğrulamanın tekrarlanması gerekir mi?

Evet, yeni cihaz aynı sertifikaya ve parametrelere sahip değilse gerekir. Farklı bir model daha düşük Ui veya Pi ya da daha yüksek Ci değerine sahip olabilir; bu da elektriksel olarak çalışsa bile sonucu değiştirir.

excodex'te ilgili yazılar

• Kendinden emniyet (Ex i): ia, ib ve ic
• Zener bariyerler ve galvanik izolatörler
• IEC 60079-14'e göre Ex tesisatın temelleri
• IEC 60079-17'ye göre Ex tesisatların muayenesi
• Tehlikeli bölgelerde topraklama, bağlantı ve eş potansiyel kuşaklama
• Araçlar: Ex işaretleme kontrolü, forum, standart alanları IEC 60079-25, IEC 60079-11 ve IEC 60079-14

Standartlar ve ek kaynaklar

• IEC 60079-25, Patlayıcı ortamlar: kendinden emniyetli elektrik sistemleri (üçüncü baskı, 2020, 2025 tarihli 1 numaralı tadil ile).
• IEC 60079-11, Patlayıcı ortamlar: kendinden emniyet "i" ile ekipman koruması (yedinci baskı, 2023), FISCO cihaz gereklilikleri dahil.
• IEC 60079-14, elektrik tesisatlarının tasarımı, seçimi ve kurulumu (altıncı baskı, 2024), birden fazla güç kaynağı içeren devrelere ilişkin ekler dahil.
• IEC 61158-2, endüstriyel haberleşme ağları: fiziksel katman spesifikasyonu (FISCO'nun üzerine kurulduğu bus fiziksel katmanı).
• IEC web mağazası, IEC 60079-25:2020 özeti: webstore.iec.ch
• İçindekiler ve önemli değişiklikler tablosuyla IEC 60079-14:2024 ön izlemesi: cdn.standards.iteh.ai
• ABD federal mevzuatında atıfla yürürlüğe alınmış IEC 60079-25:2010 (2. baskı, yürürlükten kalkmış) metni; kablo parametresi seçeneklerini ve toplu endüktans ile kapasitansa ilişkin bilgilendirici eki içerir: law.resource.org; IEC web mağazası (güncel baskı, IEC 60079-25:2020+AMD1:2025): webstore.iec.ch

Bu yazı excodex editör ekibinin hazırladığı genel teknik bilgidir. Geçerli standartların, ekipman sertifikalarının ve talimatlarının, ulusal mevzuatın veya yetkin bir kişinin değerlendirmesinin yerini tutmaz.